镍钛形状记忆合金材料的生物相容性研究应用进展Word文档格式.docx

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它们可以做生物部件人工代替物，也可以在非医学领域中使用。

前者如人工瓣膜、人工关节等；

后者则有模仿生物黏合剂、模仿酶、模仿生物膜等

镍钛形状记忆合金因具备独特形状记忆效应、超弹性、较高疲劳极限、优良耐磨性及良好生物相容性，在医学领域获得了广泛应用，如畸齿丝、心血管扩张支架、骨折修复材料等。

作为一种长期植入人体生物材料，不但要具备良好生物力学性能，并且还要有优秀耐蚀性和生物相容性。

镍虽然是人体必须营养元素，但过量会引起严重局部组织刺激、坏死、过敏、中毒甚至致癌。

对于自身具有近50％镍镍钛合金而言，作为长期植入物，其镍溶出会对机体产生一定毒性。

近年来随着镍钛形状记忆合金应用扩大，镍钛形状记忆合金镍离子析出引起安全性问题已经引起诸多学者关注，当前解决镍离子析出办法重要是表面改性和表面涂层。

2.镍钛形状记忆合金概念和工作原理

将在高温下解决成一定形状金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形状，然后再加热到高温相，即能成为稳定状态温度时，通过马氏体逆相变恢复到低温塑性变形前形状现象称为形状记忆效应[4]。

具备这种效应金属普通是由2种或2种以上金属元素构成合金故称为形状记忆合金。

当特定合金处在一种高温状态时，母相为奥氏体二维正方晶格，而处在某种低温时母相自然转变为马氏体，呈现出菱形晶格，即当奥氏体从Mo点（马氏体转变起始点）开始冷却直至Mf点（马氏体转变终结点）所有完毕（图1）。

处在马氏体状态合金可以承受一定限度即6％左右记忆性变形，而这种变形在加热到Ao点（奥氏体转变起始点）开始恢复本来晶格，从而引起形状记忆，直至Af点（奥氏体转变终结点）所有恢复原状。

除温度外，尚有靠外力诱发记忆效应,即当有外力作用时，记忆合金在Mo点以上温度即可生成应力诱发马氏体，这种马氏体在应力解除时又会自动发生逆转变，从而引起机械记忆效应，使其恢复原状。

这种形状记忆效应按形状恢复形式可分为三种类型（图2）。

①单向记忆效应：

在低温马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。

②双向记忆效应：

加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降，自发、可逆地重复恢复高低温相形状。

③全程记忆效应：

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相似而取向相反现象。

（1）镍钛形状记忆合金概念

镍钛形状记忆合金是一种通过一定塑性变形后在一定条件下可以自动恢复其原始形状形状记忆合金材料，它伸缩率在20%以上，疲劳寿命达107次，阻尼特性比普通弹簧高10倍，其耐腐蚀性优于当前最佳医用不锈钢，特别是其独特形状记忆恢复温度为（36±

2）℃，接近人体体温。

低于逆转变温度时，延性高，在70～140MPa应力下发生塑性变形；

而在逆转温度以上时，又可变低得十分坚硬，正是由于这种非常独特物化性能和生物学性能使其在医学中获得了广泛应用。

（2）镍钛形状记忆合金工作原理

镍钛合金是由镍和钛构成二元合金，由于受到温度和机械压力变化而存在两种不同晶体构造相，即奥氏体相和马氏体相。

镍钛合金冷却时相变顺序为母相（奥氏体相）--R相--马氏体相。

奥氏体是温度较高时候，或者去除载荷时状态，立方体，坚硬，形状比较稳定；

而马氏体相是温度相对较低或者加载时状态，六边形，具备延展性，重复性，不太稳定，较易变形。

镍钛形状记忆合金在一定范畴内发生塑性变形后，经加热到某一温度之上，可以恢复变形。

镍钛合金低温相为马氏体，柔软且易变形；

镍钛合金高温相为奥氏体（母相），比较硬。

冷却过程中，母相会转变为孪品马氏体，该马氏体在外应力下容易变形成某一特定形状；

加热时，已发生形变马氏体会回到本来奥氏体状态。

镍钛形状记忆合金通过特殊解决可具备单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应。

3.镍钛形状记忆合金性能

（1）镍钛合金物理化学性能

生物医用金属材料作为异物植入人体内，一方面要考察其基本物理性能。

例如：

选取植人材料时要考虑其密度和弹性模量与否与周边组织相近，与否有磁性。

镍钛形状记亿合金密度比较小，与骨组织相近，比较适合于硬组织修复；

其弹性模量只是普通不锈钢1/4，与人骨较为接近，可极大减少应力遮挡作用，避免骨质疏松；

镍钛合金无磁性，可进行核磁共振成像造影，同步植入人体后不会受外来磁场影响。

此外，镍钛形状记忆合金还可以制成多孔材料，多孔镍钛合金密度小，更适合于实现与骨路力学兼容性，在外科修复中已得到广泛应用。

（2）镍钛形状记忆合金生物相容性[5-7]

生物相容性是指材料与生物体之间互相作用后产生各种生物、物理、化学等反映一种概念。

普通地讲，就是材料植入人体后与人体相容限度，也就是说与否会对人体组织导致毒害作用。

①镍生物相容性

镍是正常机体必不可少微量元素，重要由呼吸道吸取且吸取较好，金属镍不容易从消化道吸取，也不能从皮肤吸取。

正常人血清中镍含量为0.026mg/L，头发中含量最高，可达（0.64±

0.44）mg/g。

正常人体内含镍为6～10mg，重要分布于肾、肺、脑、软骨、脊髓、结缔组织和皮肤等。

世界卫生组织指出，成人每日镍摄入量为0.4rag即可满足生理需要，其重要是经粪、尿和汗排出。

镍摄入量过低或过高都会导致疾病，镍缺少会引起生长变慢、体重减轻，干扰体内铁、脂肪、葡萄糖及肝糖代谢，扰乱钙进入骨骼过程，减少骨骼长度与宽度之比，抑制心脏、肝和肾中几种酶活性，恶化心肌和骨骼肌；

镍摄入或植入物中镍释放超过一定浓度，也会引起严重后果，高浓度镍对细胞有明显细胞毒性作用并能损伤细胞，肌肉内或骨内植入纯镍会引起严重局部组织刺激和坏死，并具备很高潜在致癌性和毒性。

②钛生物相容性

钛对人体是非必须，无害。

钛在人体正常组织中含量不大于15mg，普通以为纯钛能被局部组织较好耐受，不会诱发毒性或炎性反映。

在适当状况下，钛可以与骨结合，并且钛可以抑制细菌，不会明显激活或抑制各种引起毒性反映酶。

从植入体钝化层释放出钛颗粒，重要是不溶解钛氧化物或次氧化物，它们被以为是生物惰性。

当钛钝化层被划伤后，由于钛强氧化能力可以不久修复，这种行为保护了合金，制止了除氧化物外其她化合物形成。

③镍钛合金生物相容性

生物相容性是形状记忆合金能否用于人体最重要因素。

生物相容性良好材料在生物体内不会引起过敏反映，不会释放任何离子到生物体血液中去；

在生物体长期存在而不会发生有害反映。

生物相容性和材料表面特性与生物体炎症及过敏反映密切有关。

许多因素，如病人健康状况、年龄、免疫状态和材料特性（表面粗糙性、孔隙率、元素毒性）等都可影响人体炎症及过敏反映。

细胞培养及增殖实验表白，镍钛合金对人胚胎上皮细胞和人胚胎腭间充质细胞有较好生物相容性；

体内软组织生物相容性实验[13-14]表白，镍钛合金对血管、肌肉、神经及骨[18]等均有较好相容性。

但对于自身具有近50％镍镍钛合金而言，作为长期植入物，其镍溶出会对机体产生一定毒性。

当前解决镍离子析出办法重要是记忆合金表面改性和修饰解决[15-16]，重要有两种途径，一种是在记忆合金表面附加一层保护屏障，制止镍离子弥散；

另一种是增长氧化层厚度，对抗镍离子弥散。

第一种涂覆保护层抗腐蚀，强度高，但长时间植入体内依然起化学反映，氧化反映发生后，材料表面机械特性、电特性和电化学性也同步变化；

而第二种生成氧化层对记忆合金形状记忆功能及超弹性影响较小，但存在氧化解决后外层镍离子浓度升高及耐磨损差缺陷。

因而，选取一种惰性更高，强度更强，具备良好生物相容性材料对镍钛记忆合金表面进行涂层解决，也许是解决这一问题核心。

4.镍钛形状记忆合金医学应用[8-10,17]

镍钛形状记忆合金作为一种生物医用材料具备其他记忆材料无可比拟长处：

（1）抗腐蚀性能好，镍钛形状记忆合金在人体内不易被腐。

研究表白，镍钛形状记忆合金优良耐腐蚀性能来源于表面自发形成保护性氧化层，氧化层越均匀，抗腐蚀性能越好；

（2）生物相容性好。

镍钛形状记忆合金对人体组织器官无刺激，与人体血液接触时不会产生凝血、溶血等不良反映；

（3）超弹性好，通过特殊解决镍钛形状记忆合金在外力作用下可产生高达8％应变，在卸载时应变又可自动恢复，此外它还具备优良力学性能，抗疲劳、热加工性能好。

因而已成为临床医学中深受欢迎生物医用材料，当前已广泛用于心血管科、骨科、神经外科、整形外科、泌尿外科、口腔科、妇科和肝胆外科等，随着临床医学特别是康复医学、介入医学和再生医学发展，镍钛合金应用将更加广泛。

胆道支架[11]：

镍钛形状记忆合金胆道支架已作为治疗胆道恶性梗阻一种新手段，其治疗效果较好钛镍合金支架具备较好相容性，对周边组织刺激小，而网状编织支架构造可制止癌肿向腔内生长，可避免胆泥形成。

对于外科治疗时肝胆管切缘阳性或癌肿残留者，合金支架支撑可以获得更长时间畅通，其维持胆道畅通时间明显长于当前使用其她胆管内支撑物，可延长患者生存期。

钛镍记忆合金胆道支架具备柔软、记忆塑形性，支架置入十分简便。

合金支架能有效改进局部胆管癌性狭窄，但肝胆管内不适当置入全覆膜支架，以选取半段覆膜支架较为适当，支架网状构造封闭会影响II、III级肝胆管畅通。

而中段胆管癌置入全覆膜胆道支架，恢复其正常生理通道，是一种有效可行办法。

合金支架置入胆管两端胆汁渗漏问题往往难以避免，置入时在局部应按常规放置腹腔引流管。

加压骑缝钉：

镍钛形状记忆合金加压骑缝钉呈“U”字形，有一种波浪形压缩部和两条直腿，腿和压缩部夹角为70。

用法：

把它放在0～4℃冷水里，可将波浪形压缩部拉直，夹角扩大，把它两条腿分别放在骨折线两侧并加热后，它能对骨折处产生持续压缩力，增进骨折愈合。

环抱器：

镍钛形状记忆合金环抱器用于全身各部位长管状骨折，环抱器重要有圆柱型和圆锥型两种，圆柱型用来固定长管状骨中段骨折，圆锥型则用来固定长管状骨远或近端骨折，环抱器臂上有锯齿，环抱器体和臂构成了一种圆周，使用时将环抱器置于4℃如下冰水中，将每对臂向外拉开，至于复位后骨折处，加温到37℃左右，臂形状自动恢复而紧紧环抱在骨折远近段，产生固定作用。

环抱器对骨血供破坏较小，且比髓内钉具备更好抗扭转性能，在提供与不锈钢板几乎同等限度抗弯和抗扭强度时，具备比不锈钢板小得多应力遮挡效应。

这些特点使镍钛形状记忆合金环抱器能更好地增进骨折愈合，并减少骨折愈合后骨质疏松产生。

钉板系统：

镍钛形状记忆合金钉板系统用于骨质疏松性转子间骨折，它由带股骨上端环抱器主板、股骨头分叉钉、三叶草分叉钉、钉尾加压帽和备用皮质骨螺钉构成。

镍钛形状记忆合金钉板主板上面环抱器用于固定股骨近端骨干，不用额外螺钉同定，不会导致应力集中及过多骨质破坏；

三叶草分叉钉弹性回缩和钉头特殊设计，有助于骨折断面持续加压和防治股骨头旋转。

同步，镍钛形状记忆合金钉板有更好弹性固定作用，可以减少疲劳断钉和股骨头、颈部穿透钉内固定失败发生。

扩张器：

镍钛形状记忆合金扩张器依托记忆合金回答力，使骨移植物与上下椎体紧密接触，达到牢固融合。

该扩张器由两个斜臂和一种水平臂构成，室温下，两斜臂处在张开状态；

置于冰水混合物中变软合拢，便于植入；

37℃时自动恢复张开状态，运用这种回答力固定移植物。

选用移位率最高圆柱状植骨块，将骨移植物内植入扩张器，术后移植物可获得稳定压力，既避免了供区并发症，又增长了融合节段稳定性，在防止移植物脱出、增长融合率方面成效明显。

节段内固定器：

镍钛形状记忆合金节段内固定器用于腰椎峡部裂治疗。

节段内固定器呈弓形，两端勾回，形成上下两钩，其下钩固定椎板下缘，上钩固定在横突上缘根部。

镍钛形状记忆合金固定是一种弹性固定，能对断裂峡部进行持续稳定加压，且能随着活动度增长而增大作用力。

椎问融合器：

镍钛形状记忆合金椎问融合器该椎间融合器克服了以自体三面皮质骨块作为融合介质老式融合技术缺陷，增长了融合率，是一种新型界面内固定技术。

椎问融合器外观为一中空长方体，主体某些重要为两个不同直径圆形框及两个支撑连杆构成闭合框形构造，支撑连杆与椎体上下接触，两侧为5对水平翼板，翼板尾端呈倒齿样构造，运用翼板恢复水平状态时产生强大回答力，在矢状面、冠状面均呈弧形椎体终板上产生一定弹性，起到持续撑开作用；

随后翼板尾部应力相对集中，导致翼板某些逐渐嵌入终板内。

镍钛形状记忆合金椎问融合器具备三维稳定性，可提供足够前柱支撑，减少不稳定节段活动。

5.镍钛形状记忆合金发展趋势[12]

在镍钛形状记忆合金研究和应用中，当前尚存在许多有待解决问题，例如：

（1）由于镍钛形状记忆合金各种功能均依赖于马氏体相变，需要不断对其加热、冷却及加载、卸载，且材料变化具备迟滞性，因而镍钛形状记忆合金只合用于低频窄带振动中，大大限制了镍钛形状记忆合金材料应用；

（2）镍钛形状记忆合金自身存在损伤和裂纹等缺陷，如何克服这些缺陷，改进材料性能是当前迫切需要解决问题；

（3）既有镍钛形状记忆合金机构模型在实际工程应用中都还存在某些缺陷，如何克服这些缺陷，从而精准地模仿出镍钛形状记忆合金材料行为也是一种需要研究重要课题；

（4）在医学应用方面，还需继续研究镍钛形状记忆合金生物相容性和细胞毒性；

（5）镍钛形状记忆合金作为一种新型功能材料，其加工和制备工艺较难控制，当前还没有形成一条镍钛形状记忆合金自动生产线，材料成本也相称昂贵；

（6）为了提高应用水平，镍钛形状记忆合金元器件还需要进一步微型化，提高反映速度和控制精度，在这方面仍有许多工作要做。

镍钛形状记忆合金研究此后发展方向和趋势为：

充分发掘、改进和完善既有镍钛形状记忆合金性能；

研究并开发镍钛形状记忆合金智能复合材料；

研究、开发、改进多孔镍钛形状记忆合金。

6.结语

大量医学基本研究表白，镍钛形状记忆合金具备优良生物相容性，细胞附着生长良好；

镍钛形状记忆合金动物体内埋藏实验表白，试件周边覆盖一层很薄被膜，周边细胞无畸变，皮毛及内脏内镍元素含量未见增长。

尽管如此，镍钛形状记忆合金中镍含量近半，虽然溶出镍离子含量很微小，但对潜在危险没有完全排除，对该材料长时间植入体内生物相容性结识尚有争议。

因而，尚有必要对镍钛形状记忆合金长时间植入体内生物相容性问题以及镍钛形状记忆合金表面改性办法做进一步研究，以提高镍钛形状记忆合金材料耐蚀性和生物相容性。

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